Оглавление

Аннотация 2

Введение 2

1.Состав и свойство антиматерии и античастиц. 4

2.Открытие античастиц. 7

Используемая литература: 16

Аннотация

       Эта работа посвящена проблеме изучения антиматерии и античастиц. В реферате будет рассмотрено общее описание антиматерии и античастиц, также процесс образования античастиц и их развитие. Описан процесс антинигиляции. Представлены различные исследования ученых, их разработки и опыты связанные с открытием новых возможностей.

Введение

       Материя имеет и сложное структурное  строение. На основе достижений современной  науки мы можем указать некоторые  ее виды и структурные уровни. Известно, что до конца XIX в.естествознание не шло дальше молекул и атомов. С открытием радиоактивности электронов начался прорыв физики в более глубокие области материи. В настоящее время физикой открыто множество различных элементарных частиц.

       Но  все же классическая модель физики не может дать объяснение множеству феноменов Вселенной. Для разрешения этой проблемы была выдвинута гипотеза о существовании античастиц и состоящей из них антиматерии. Согласно теории, вещество и антивещество возникли в равных пропорциях сразу после Большого Взрыва. Однако существуют только косвенные признаки антиматерии: наблюдения за космосом не дали прямых указаний на ее присутствие.

       В течение многих лет исследователи  хотели создать значительное количество антивещества проверить так называемую Стандартную модель, которая описывает  элементарные частицы и их взаимодействия. Антивещество разрушается всякий раз, когда он сталкивается с материей, превращаясь в обоих всплесков  излучения. Сегодня, Вселенная состоит  из преимущественно одной формы  материи и ученые не уверены, почему это так.

       Физики  говорят, что массовое производство антиматерии, важный первый шаг на пути к точности исследования его свойств, которые могут помочь решить одну из величайших тайн Вселенной.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Состав  и свойство антиматерии  и античастиц.

       Антиматерия – форма материи, в котором большинство атрибутов (электрические заряды, магнитный момент элементарных частиц имеют обратные знаки.

 Почти  все элементарные частицы имеют  античастицы. Исключение составляют  истинно нейтральные частицы,  такие как кванты электромагнитного  поля – фотоны.

         По своим свойствам античастицы  не отличаются от частиц. Из  них можно образовать атомы  и молекулы. Однако, Вселенная, в  котором мы живем, содержит  гораздо больше частиц, чем античастиц. Ответ на вопрос, почему так  произошло, еще не найдена.

Античастицы могут быть созданы в ускорителях, например в CERN (Женева, Швейцария), лаборатории  Ферми (США), в Центре ядерных исследований (Дубна, Россия).

         Образование античастиц проходит  обычно благодаря процессу, обращенном аннигиляции – процесса рождения пар. Для этого необходима энергия, больше суммарную массу частицы и античастицы.

 Простейшие  из античастиц – античастицы  электронов – позитроны, возникают  сравнительно часто вследствие  различных ядерных реакций. Необходимая  для этого энергия сравнительно  невелика ввиду легкость лептонов – несколько больше 1 МэВ.

         Античастицы барионов требуют  для образования энергию более  1 ГэВ. 

 Впервые  атом антиводорода наблюдали в 1995 году в эксперименте SP20 на ускорителе LEAR в CERN, но тогда он существовал только в ускорителе течение очень малого времени (порядка 40 нс) и двигался со скоростью, близкой к скорости света. Всего было зарегистрировано 9 атомов антиводорода. Такая антиматерия не подходила для изучения свойств, поэтому ученые начали конструировать «ловушки», в которых ее можно накапливать и удерживать.

         Для этого нужно «охладить»  антипротоны, снизить их энергию  и скорость движения. CERN – единственный  центр в мире, имеет оборудование, специально предназначенное для  создания и исследования низкоэнергетических  антипротонов.

         Антипротоны в эксперименте ALPHA производятся  в условиях вакуума, однако  это не решает проблемы аннигиляции,  они остаются окруженные обычной  материей. Поэтому, чтобы продлить  время жизни антивещества, ученые  «сконструировали» ловушку с  очень сильного и сложного  по конфигурации магнитного поля. При сверхнизких температурах  в такой ловушке накапливаются  атомы антиводорода, полученные при соединении антипротонов и позитронов, движущихся с примерно равными скоростями.

         В результате удалось на много  порядков увеличить время жизни  атомов антиводорода: в эксперименте ALPHA атом антиматерии существует в течение десятой доли секунды, и этого вполне достаточно для изучения ее свойств

         Антиводень – атом, состоящий из антипротона и позитрона – впервые был получен в 1995 году в ЦЕРНе в эксперименте PS210. В ноябре 2010 появилось сообщение, что 38 атомов антиводорода были захвачены в магнитную ловушку и содержались там примерно 1 / 6 секунды.

Описывающие двойственную природу Вселенной  законы физики отлично работают, подтверждаясь  на практике, однако у ученых возникает  вопрос – как это возможно, когда  подавляющая часть видимого нами космоса состоит из обычной материи? Для объяснения этого феномена существует две различные теории. Первая из них гласит, что особенности различия между материей и антиматерией привели к постепенному доминированию обычного вещества. Античастицы оказались или вытеснены из нашей Вселенной, или в силу какой-то нестабильности прекратили существования. И лишь остатки этой физической формы изредка могут быть зарегистрированы научной аппаратурой.

       По  другой теории существования антиматерии  большинство частиц и античастиц аннигилировали сразу после Большого Взрыва, и лишь небольшие их скопления  оказались разбросаны в разные концы  космоса. Тогда где-то, очень далеко от нас должна находиться целая Вселенная  из антиматерии, которую освещают анти-звезды и, может быть, населяет анти-жизнь. Положить конец всем спорам и предложить единую теорию антивещества поможет обнаружение химического элемента, полностью состоящего из античастиц. Возможно, какой-нибудь антипод водорода или гелия сможет рассказать ученым много нового – как он появился, откуда пришел и как сможет существовать в нашей материальной Вселенной. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Открытие  античастиц.

       Существование античастиц было  впервые предсказано в 1930 году  английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

      В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

      Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются  знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это  следует из общих принципов квантовой  теории поля и подтверждается надежными  экспериментальными данными.

      С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e ^- ,  m ^-, t ^- , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (g, Z⁰), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W ⁺, W ^-) также образуют  пары частица - античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав ( ), антинейтрон — ( ). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p ^- - мезон состоит из кварков   ( ), а p ⁺ мезон состоит из кварков ( ). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки ( например, p⁰,r,h- мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными.

      Характерная особенность поведения частиц и  античастиц - их аннигиляция при  столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е ^- + е ⁺ ® g + g. Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е ^- + е ⁺ ® m ^- + m ⁺. В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е ^- + е ⁺ ® t ^- + t ⁺ открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

      Операция  замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так  как истинно нейтральные частицы  тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя.

      В сильных и электромагнитных взаимодействиях  имеется полная симметрия между  частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра.

      В 1965 году на ускорителе в США был  получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития - тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе  и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом.

      Ведь  аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 ¹⁴ Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

      Но  так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень  больших температурах около 10¹³ К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 ^-9) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.